Previsão espaço-dependente do índice padronizado de precipitação utilizando redes neurais artificiais na sub-bacia hidrográfica do Alto São Francisco

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Miranda, Vanessa Negreiros de Medeiros
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/14948
Resumo: The natural phenomena of droughts and floods have significant repercussions. To avoid the negative consequences of these phenomena, it is necessary to carry out an effective monitoring, analysis and planning. A tool that is gaining prominence in forecasting and, consequently, alerting in decision making is the artificial neural networks due to the large modeling capacity of non-linear and non-stationary time series, characteristics of precipitation. In view of the above, the general objective of this work is to perform SPI spatiotemporal prediction, parameter of drought and humidity quantification, in the Upper São Francisco river sub-basin (sub-basin 40), through the application of Artificial Neural Network and to evaluate its efficiency, with the specific objectives being: (a) to analyze the spatio-temporal behavior of standardized precipitation indices, in the short- and long-term, from 1998 to 2015; (b) to develop ANN architecture, perform SPI forecast for short- and long-term, evaluate the quality of results and define the best model; (d) to analyze the spatiotemporal correlation between the data observed and those predicted by the best prediction model; and (e) to analyze the stochastic effect on the results predicted by the best prediction model after 30 runs. The study was carried out in a space grid of 169 (one hundred and sixty-nine) points, equidistant 0.25°, comprising sub-basin 40, located in the central region of Minas Gerais. The precipitation data used were obtained from the TRMM 3B42 product and comprised the period from January 1, 1998 to December 31, 2015. Using feedforward multilayer ANNs trained by the Levenberg-Marquardt algorithm, forecasts were made for a year ahead and the performance of each ANN was evaluated. From the obtained results, it is observed that the ANNs that presented the best performances belong to the Model 15, with 15 years of input data, the years 2000 to 2014. The values of R and kappa, resulting from the prediction using the ANNs from Model 15, were better for long-term SPIs compared to short-term SPI results. The R values ranged from very low (0 ≤ R < −0.1) to high (0.7 to 0.9) and very high (0.9 to 1), the latter two being at most of the forecast values. The kappa varied from optimal (0.81–0.99) to poor (0.20–0.40), the latter being punctual results. Thus, ANN with 15 years of input data proved to be an effective tool for predicting SPI from one year ahead.
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In view of the above, the general objective of this work is to perform SPI spatiotemporal prediction, parameter of drought and humidity quantification, in the Upper São Francisco river sub-basin (sub-basin 40), through the application of Artificial Neural Network and to evaluate its efficiency, with the specific objectives being: (a) to analyze the spatio-temporal behavior of standardized precipitation indices, in the short- and long-term, from 1998 to 2015; (b) to develop ANN architecture, perform SPI forecast for short- and long-term, evaluate the quality of results and define the best model; (d) to analyze the spatiotemporal correlation between the data observed and those predicted by the best prediction model; and (e) to analyze the stochastic effect on the results predicted by the best prediction model after 30 runs. The study was carried out in a space grid of 169 (one hundred and sixty-nine) points, equidistant 0.25°, comprising sub-basin 40, located in the central region of Minas Gerais. The precipitation data used were obtained from the TRMM 3B42 product and comprised the period from January 1, 1998 to December 31, 2015. Using feedforward multilayer ANNs trained by the Levenberg-Marquardt algorithm, forecasts were made for a year ahead and the performance of each ANN was evaluated. From the obtained results, it is observed that the ANNs that presented the best performances belong to the Model 15, with 15 years of input data, the years 2000 to 2014. The values of R and kappa, resulting from the prediction using the ANNs from Model 15, were better for long-term SPIs compared to short-term SPI results. The R values ranged from very low (0 ≤ R < −0.1) to high (0.7 to 0.9) and very high (0.9 to 1), the latter two being at most of the forecast values. The kappa varied from optimal (0.81–0.99) to poor (0.20–0.40), the latter being punctual results. Thus, ANN with 15 years of input data proved to be an effective tool for predicting SPI from one year ahead.NenhumaOs fenômenos naturais de secas e cheias apresentam significativas repercussões. Para evitar as consequências negativas desses fenômenos, faz-se necessário realizar um eficaz acompanhamento, análise e planejamento. Uma ferramenta que está ganhando destaque na previsão e, consequentemente, alerta nas tomadas de decisão são as redes neurais artificiais devido à grande capacidade de modelagem de séries temporais nãolineares e não-estacionárias, características da precipitação. Diante do exposto, o objetivo geral deste trabalho consiste em realizar a previsão espaço-temporal de SPI, parâmetro de quantificação da seca e umidade, na sub-bacia Hidrográfica do Alto São Francisco (sub-bacia 40), através da aplicação de Rede Neural Artificial e avaliar sua eficiência, sendo os objetivos específicos: (a) Analisar o comportamento espaçotemporal dos índices de precipitação padronizado, de curto e longo prazo, ao longo do período de 1998 a 2015; (b) Desenvolver arquitetura das RNAs, realizar a previsão de SPI para curto e longo prazo, avaliar a qualidade dos resultados e definir o melhor Modelo; (d) Analisar a correlação espaço-dependente entre os dados observados e os previstos pelo melhor modelo de previsão; e (e) analisar o efeito estocástico nos resultados previstos pelo melhor modelo de previsão para 30 rodadas. O estudo foi realizado em uma malha espacial de 169 (cento e sessenta e nove) pontos, equidistantes 0.25°, compreendendo a sub-bacia 40, localizada na região central de Minas Gerais. Os dados de precipitação utilizados foram adquiridos do produto 3B42 do satélite TRMM e compreendeu o período de 1 de janeiro 1998 a 31 de dezembro de 2015. Utilizando RNAs multicamadas feedforward treinadas pelo algoritmo de Levenberg-Marquardt, foram realizadas as previsões para um ano à frente e o desempenho de cada RNA foi avaliado. A partir dos resultados obtidos, observa-se que as RNAs que apresentaram os melhores desempenhos pertencem ao Modelo 15, com 15 anos de dados de entrada, os anos 2000 a 2014. Os valores de R e kappa, resultantes da previsão utilizando as RNAs do Modelo 15, foram melhores para os SPIs de longo prazo em comparação com os resultados de SPIs de curto prazo. Os valores R variaram de muito baixa (0 ≤ R < −0,1) a alta (0,7 a 0,9) e muito alta (0,9 a 1), constituindo estes dois últimos na maioria dos valores de previsão. Já o kappa variou de ótima (0,81–0,99) a sofrível (0,20–0,40), sendo estes últimos, resultados pontuais. Dessa forma, a RNA com 15 anos de dados de entrada provou ser uma ferramenta eficaz para previsão de SPI de um ano à frente.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia Cívil e AmbientalPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil e AmbientalUFPBSantos, Celso Augusto Guimarãeshttp://lattes.cnpq.br/4223859537570442Miranda, Vanessa Negreiros de Medeiros2019-07-02T18:34:53Z2019-07-022019-07-02T18:34:53Z2018-08-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/14948porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2019-07-03T06:05:58Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/14948Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2019-07-03T06:05:58Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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